宋建强 张笑
中车青岛四方机车车辆股份有限公司 山东 青岛 266109
摘要：近年来我国综合国力的不断增强，工业的迅猛发展，促进了制造业的发展。铝合金因质量轻、比强度高、耐腐蚀性能好、无磁性、成形性好以及低温性能好，被广泛应用于各种焊接结构产品。铝合金激光焊作为一种先进的新型焊接技术，因具有较高的能量密度、较深的穿透性、较高的精度、广泛的适应性等优点，被广泛应用于航空航天、轨道车辆、车辆工程等领域，受到了全世界越来越多的关注。本文就铝合金激光焊接技术应用现状与发展趋势展开探讨。
关键词：铝合金；激光焊；工艺
引言
铝合金属于一种有色金属结构材料，已普遍应用于车辆工程、高速列车、船舶制造、航空航天乃至体育、生活用品等领域。由于较为复杂的铝合金焊接工艺，所以该金属材料的使用范围略少于钢铁等传统结构材料，但是铝合金凭借其密度低但强度高，可塑性好，导电性、导热性和抗腐蚀性优良等优点，使得其需求量逐步增加，从而也推动了有关铝合金焊接工艺的研究。近些年来随着科技的高速发展，焊接工艺也层出不穷，铝合金焊接也有了长足进步。
1 铝合金激光焊特点
随着大功率、高性能激光焊机的不断出现，铝合金激光焊接技术得到了迅速发展，成为最有前景的铝合金焊接方法。这种方法在焊接热循环、化学冶金、生产效率以及焊缝成型等方面有明显的特征。铝合金激光焊具有如下4个优点。第一焊接比能小。焊接比能是指焊合单位表面所需的能量。对比激光焊、氩弧焊的焊接比能可以发现，铝合金激光焊的比能小，热影响区小。第二焊接变形小。聚焦后的激光束光斑直径很小，使得激光束在材料上的作用面积较小，热影响区相对较小，变形相对较小。第三生产效率高。激光光斑直径较小，功率密度较高，允许较高的焊接速度，焊缝质量好，生产效率较高。第四晶粒细小。在激光焊接过程中，焊缝峰值温度高，高温停留时间较短，冷却速度较快，过冷度较大，焊缝组织细小。
2 铝合金激光焊接工艺特性
2.1功率大的激光头
能够稳定焊接质量，随着激光加工的深入开发，功能越来越强大的激光头得到快速的应用。由Scansonic和HighYAG所研制的激光头，能够在一定范围内上下左右浮动而不改变光斑大小，也不影响光丝配合，非常利于大批量的生产应用，能改善材料由于加工产生的少量尺寸偏差而引起的焊接缺陷。
2.2气孔
在铝合金的激光焊接生产过程中，气孔是最常见的一种缺陷。它的形成机理比较复杂，想完全避免气孔的出现比较困难。一般认为，气孔的产生主要和氢溶解度的变化、低熔点合金元素的蒸发以及激光束的波动性有关。首先，铝合金在焊接过程中，很容易从空气、保护气体以及材料中吸收水分并受热直接分解产生氢气。溶解氢在液态和固态两种状态下的溶解度差别较大，熔池结晶时使得溶解在高温液态中的氢迅速溢出。激光焊缝形态深而窄，过冷度大，冷却速度快，无法为气孔的上浮和溢出提供充足的时间，导致形成氢气孔。其次，为了增强铝合金材料的力学性能，通常会在材料中添加Mg、Mn等有强化功能的合金元素，但这些元素易被蒸发烧损，在很大程度上也会加剧焊缝气孔的产生。最后，由于激光束本身的特性和激光深熔焊的机理，焊接的过程中熔池中液态金属从前部向后部流动的周期性变化，且变化频率较高，容易引起气孔产生。气孔的危害主要表现在力学性能下降，影响铝合金的使用。要减少铝合金激光焊接中气孔的出现，方法有很多种，但都难以从根本上消除气孔。
2.3易产生焊接缺陷
由于铝合金熔点低，金属液流动性好，因此在大功率激光的作用下会使金属气化。
焊接过程中伴随小孔效应所形成的金属蒸气影响铝合金对激光能量的吸收，这样会出现焊接过程不稳定，焊缝容易产生气孔、表面塌陷、咬边等焊接缺陷。焊缝产生表面塌陷、咬边等缺陷可以通过激光填丝焊接或激光电弧复合焊来实现改善。
3 铝合金激光焊接应用与发展
3.1铝合金焊接技术在汽车生产中的应用
人们最常接触应用铝合金激光焊接的当属汽车制造领域，最近奥迪V8、蔚来ES8、捷豹XFL、特斯拉ModelS、福特F–150等众多车型尝试使用全铝车身，包括车身、发动机、悬挂系统、轮毂、散热器等多种结构均逐渐使用铝合金来代替其他金属材料。用铝代替钢来生产汽车可以显著减轻重量。铝散热器比相同的铜散热器轻20%到40%，铝发动机可以减轻30%的重量，汽车的铝车身比钢铁车身轻40%左右。这一系列改进将有助于减轻车辆重量，减少能源消耗，减少污染，并提高燃油效率。早在20世纪80年代，包括奥迪，梅赛德斯–奔驰，大众和沃尔沃在内的欧洲汽车制造商率先采用激光焊接技术焊接屋顶，车身和侧架等金属板结构。随后美国的通用以日本的日产、本田和丰田汽车公司借鉴学习欧洲先进的激光焊接技术，用于制造汽车零部件，如变速箱，车轴，传动轴，散热器，离合器，发动机，排气管，增压器车轴和底盘。近些年来，我国的汽车制作厂家和科研院所在外国激光焊接技术基础之上，也取得了比较丰硕的成果。
3.2铝合金焊接技术在航天工业中的应用
航空飞机轻量化对减少燃油消耗、提升续航里程、延长飞机寿命等具有重要作用。与钛合金、碳纤维复合材料相比，铝合金成本相对较低，因此在飞机机身制造中，铝合金应用占有较大的比例，主要以7系、6系、2系铝合金为主。在机身壁板蒙皮与桁条连接应用中，传统方法使用铆接技术，蒙皮与桁条采用搭接结构。由于铆钉与桁条搭接边产生了额外的重量，并且生产效率较低，所以将桁条与蒙皮改为T形结构，并且通过左右两侧分别同步实施激光填丝焊，取代搭接边与铆钉，对减轻机身重量、提高连接效率、降低制造成本效果明显。比如，空客A380机型中8张壁板采用双侧激光同步焊接技术制造，降低机身重量10%[9]。当前生产应用中，实施激光焊接的材料主要是6系铝合金，国内在铝合金T形结构的应用研究上聚焦于应用前景较大的铝锂合金双侧激光焊接工艺研究，并进行了样件试制。但是，铝锂合金激光焊接存在接头软化、腐蚀，以及焊缝气孔、裂纹等影响接头性能的关键问题需要解决。
3.3铝合金激光焊接技术在舰船建造中的应用
由于铝合金材料密度小，更轻巧，在减轻船舶重量的同时降低了船舶的重心，有利于提高船只行驶的安全性和稳定性。因此在一些如游艇、邮轮、潜水艇、渔船等船舶上得到普遍的应用。激光焊接在船只制造业的应用也相对普遍，由于船体体积较大，因此焊接在造船业起到了较大作用，采用激光焊接有利于获得高强度的焊接件，从而减少所使用铝合金的厚度，达到轻量化和高强度的目的。美国计算出，采用激光焊接技术建造的航空母舰可以节省200吨重的，事实上，当你今天在欧洲建造这些大型游轮时，激光焊接的应用率已经超过20％，未来目标使用率达到50％。
结语
尽管铝合金激光焊接技术因其在焊接变形控制、生产效率提升、接头力学性能等方面的优势被广泛应用，但实际应用过程中依然存在一些诸如装配精度高、反射率高、容易出现气孔等难题。随着高端装备制造业的快速发展，铝合金的激光焊接技术将在装备制造领域得到更加广泛的应用。
参考文献
[1]戴景杰.铝合金激光焊接工艺特性研究[J].电焊机，2019，（3）：20-23.
[2]刘继常，李力钧.澈光复合焊接的探讨[J].焊接技术，2020，（4）：6-8.
[3]陈国庆，柳峻鹏，树西，等.铝合金焊接工艺的研究进展[J].焊接，2019（9）：7–12.